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危化品运输工况仿真与模拟器关键技术研究

赵振民  
【摘要】:为了从技术上根本解决危化品在生产、运输、仓储、使用全寿命周期内的安全问题,我国开展了针对各种危化品在上述环节中的安全监测与跟踪系统的技术研究。而检验有关危化品监测用传感器及其集成系统的性能,是保障危化品监测传感器及系统研究、产业化及应用的基础。目前对危化品监测用传感器及其集成系统性能测试采用真实罐车陆路或船舶海上运输的方法,来验证有关传感器在不同工况下的真实准确性和可靠性,这种测试方法存在测试周期长、测试成本高、风险性大、测试的工况有限、出现性能问题难以重复实验造成分析困难等缺点。 针对陆路或海上真实测试存在的缺点,本文研制了危化品运输半实物仿真与实验系统。实验系统的运动模拟器采用具有6个自由度的Hexaglide并联机构,来模拟车船的实际运行状态,对危化品监测与跟踪微系统的可靠性和安全性进行实验和验证。 本文采取虚拟样机技术和半物理系统实验相结合的方法进行研究,采用ADAMS建立罐装车及半挂车的系统模型,形成功能性虚拟样车。对虚拟样车进行整车动态回转仿真实验、转向盘转角阶跃输入仿真实验、方向盘角脉冲输入仿真实验和转向轻便性仿真实验,仿真实验的数据正确遵循了汽车操作稳定性的规律和要求,验证了虚拟样车模型的合理性。截取环岛和换道两种工况,进行仿真实验和实车实验对比,结果表明仿真实验结果与实车道路实验对应的参数曲线吻合度高,数值误差在6%以内,验证了汽车虚拟样机模型与参考原型车之间动态响应的一致性,在基于双移线、变速直线、不平路面、凹凸路面等典型特殊工况仿真表明了虚拟样车仿真的有效性,为仿真平台设计奠定了良好基础。 基于频谱分析方法,用方向谱代替海浪谱,实现了一种基于方向谱的船舶振荡运动计算方法并以之为基础建立了船舶振荡仿真系统。利用船舶振荡仿真系统,对不同船速、风速、船舶航向情况进行仿真,并将仿真结果和Seakeeper仿真软件在相同条件下的仿真结果进行对比,验证船舶振荡仿真系统的正确性。因此采用虚拟样机技术,并结合陆路和海上各种运输工况的仿真模型,生成危化品运输工况虚拟实验场景,得到相应工况下运动模拟器状态输入。 根据模拟车船运行的需要,运动模拟器采用6自由度Hexaglide机构与控制模块组成,采用交流伺服电机驱动,由滚珠丝杠和导轨将电机的转动变换为滑块的直线运动。在结构上提供一个方向的纯移动,并且这个方向的移动量只受导轨长度的限制,移动工作空间容易得到扩展,使机构的移动方向和车船的前进方向相同,能够获得较长的加、减速时间,可以更好的模拟车船的真实运动情况。在确定运动模拟器的构型后,进行机构的运动学分析,研究机构位姿逆解求解算法,并建立速度和加速度的映射关系。在运动学分析的基础上,又进一步分析了机构的工作空间和灵巧度。为使分析结果更具有工程实用性,定义了工程上使用频率最高的核心工作空间,并对其灵巧度的分布进行了仿真。为完成仿真平台的机构综合,又深入分析了机构参数对位置工作空间、核心工作空间及机构灵巧度的影响,在此基础上,利用所提出的机构参数优化流程完成了机构参数的优化,并验证了优化结果的优异性。 最后,搭建运输模拟器实验平台,对模拟器控制系统的软、硬件进行设计,在PC上的TwinCAT软件环境下的仿真实验,验证了所编写程序的正确性和可行性。通过电机控制实验验证了各电机跟踪输入位置信号的能力。实际工况输入信号的运动复现实验和虚拟输入信号的运动复现实验,验证了各种实际工况输入信号和虚拟输入信号的实际输出位移曲线与给定的输入位移曲线的吻合程度高,表明控制系统位置跟踪性能强,实验平台能够模拟车船的实际运行状态。


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